KR100464297B1 - 용량변화마이크로가속도계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체의 관성 가속도를 검출하기 위한 마이크로가속도계(Micro-accelerometer)에 관한 것으로, 특히 가속도 감지 감도가 뛰어나고 신호처리가 용이한 실리콘 마이크로가속도계에 관한 것이다. 본 발명은 마이크로가속도계의 전극을 형성하는 구조물에 존재할수 있는 기계적응력과 전기적인력에 의한 전극의 휘어짐의 원인을 제거하기 위해 새로운 구조로 고정전극 전체가 기판위에 형성되도록 하고 동전극의 양끝을 질량체 역할을 하는 구조물에 연결하며 차동캐패시터를 여러 개 배열하여 감도를 크게함과 동시에 신호대 잡음비를 개선한다.

Description

용량변화 마이크로가속도계{A variable capacitive microaccelerometer}

본 발명은 물체의 관성 가속도를 검출하기 위한 마이크로가속도계(Micro-accelerometer)에 관한 것으로, 특히 가속도 감지 감도가 뛰어나고 신호처리가 용이한 실리콘 마이크로가속도계에 관한 것이다.

최근 반도체 공정 기술의 발달과 함께 미세 전기 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 관성 센서의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 실리콘 가속도계들은 구조적으로 기존 진자형 가속도계(pendulum accelerometer) 형태를 원용한 것이 많다. 또한 공정 방법면에서는 벌크 미세가공(bulk micromachining) 또는 벌크-표면 미세가공(bulk-surface micromachining) 혼합기술을 채택하고 있었다. 이것은 기존 공정기술이나 센서 민감도등 여러 제한조건으로 인해서 비용, 공정의 복잡성과 호환성, 집적화등 여러 면에서 불리한 제작방법이다. 따라서 이런 측면들에서 장점을 가지는 표면 미세가공(surface micromachining)법으로 제작된 공진형 실리콘 가속도계에 대한 연구가 필요하게 되었다.

미세가속도계는 자동차의 자동항법장치나 에어백 시스템에 적용되며 또한 진동, 경사, 충격 등의 물리량측정 등 그 응용범위가 확대되고 있는 추세이다. 또한 최근에는 소형화 및 경량화 및 저가격의 이런 시스템 개발의 경향에 부응하기 위하여 센서는 반도체공정으로 일괄제조하는 연구가 급증하고 있다. 근래에 미국의 아날로그 디바이스(Analog Devices) 사와 모토롤라(Motorola), 일본의 히타치(Hitachi) 등은 이미 실리콘 공정을 이용한 마이크로가속도계를 개발 제작하여 발표한 바 있다.

종래의 마이크로가속도계의 일례(US pat. no.5345824)로서, 아날로그 디바이스사의 가속도센서가 도 1에 도시되어 있다. 이 마이크로가속도계는 차동 캐패시터 배열(4)로 구성되어 있다. 각 캐패시터는 두 개의 전극(고정전극(3a, 3b) 및 동전극(2))을 가지고 있다. 그 중 고정전극(3a, 3b)은 앵커(5)로 기판(10)에 지지되어 있고, 동전극(2)은 한 끝이 관성질량(1)에 연결되어 있어 인가되는 가속도에 반응하여 움직이도록 되어 있다. 기판(10)이 가속를 받을 때 동전극(2)이 움직임에 따라 동전극(2)과 고정전극(3a,3b)의 대향면적이 변화하므로 캐패시턴스 값이 변한다. 이 때 차동캐패시터 배열(4)은 두 개의 캐패시터가 한 쌍으로 구성되는데 그 중 하나는 가속도에 대해 감소하고 하나는 증가하도록 제작되어 있다. 이 가속도계에는 표면미세가공으로 공정되어 전체적인 크기가 작아지고, 회로가 구조물과 동일칩상에 집적되는 등 장점이 있다. 그러나 감도를 크게하기 위해서는 캐패시터의 길이 방향의 크기가 커야하므로 커패시터를 이루는 동전극(2)과 고정전극(3a, 3b)의 길이가 길다. 이는 공정시 사진식각공정을 어렵게 하고, 구조물의 기계적 응력이 발생하여 이 응력을 제거하는 공정과정이 복잡해질 수 있으며, 캐패시터 양단에 인가되는 전압에 의해 전기적인 인력이 작용하여 전극이 휘어질 수 있는 단점이 있다.

도 2는 종래의 또 다른 표면미세가공된 가속도계(US pat. no. 5337606)의 개략적 평면도이다. 이 가속도계 역시 Analog Devices사의 가속도계와 동일한 원리를 가진다. 그러나 이 가속도계는 차동캐패시터의 구조 및 배열이 상이하다. 즉, 고정전극(21a, 21b)의 한쪽이 앵커(23)를 이용하여 기판에 고정되어 있고, 한쪽은 도 2에 도시된 바와 같이 동전극(20)위에 떠있다. 이 가속도계는 역시 동전극(20)을 띄우기 위해서 희생층과 고정전극(21a, 21b)의 한 쪽을 띄우기 위한 희생층으로, 총 두 번의 희생층 형성과정이 필요하고, 하나의 희생층이 필요한 공정 보다 다층구조로 인해서 이 희생층이 잘 식각되지 않는다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 차동캐패시터를 여러 개 배열하여 감도를 크게하고 고정전극 전체가 기판 위에 형성되도록 하고, 동전극의 양끝을 질량체 역할을 하는 구조물에 연결하여 위에서 제기한 전극에 존재할수 있는 기계적 응력과 전기적 인력에 의한 전극의 휘어짐의 원인을 제거하며, 또한 한 번의 희생층 공정 만이 필요하므로 공정이 간편하고, 신호대 잡음비가 대폭 개선된 용량 변화 마이크로가속도계를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 용량변화 마이크로가속도계는, 기판; 상기 기판에 앵커에 의해 지지되고 인가되는 가속도에 선형적으로 비례하는 변위를 일으키는 관성질량체; 상기 기판 상에 빗살 모양으로 형성된 고정전극들; 및 상기 관성질량체의 일부를 이루면서 상기 고정전극들과 나란한 방향으로 배열되어 상기 고정전극들과 차동캐패시터 배열을 형성하는 동전극들;을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 차동캐패시터 배열은, 상기 고정전극들이 일측 가장자리 전극부터 홀수번째 전극들이 결합된 제1고정전극군과 짝수번째 전극들이 결합된 제2고정전극군으로 나뉘고, 상기 제1고정전극군의 고정전극들 및 상기 제1고정전극군의 고정전극들에 대응하는 동전극들로 이루어지는 제1캐패시터 배열; 및 상기 제2고정전극군의 고정전극들 및 상기 제2고정전극군의 고정전극들에 대응하는 동전극들로 이루어지는 제2캐패시터 배열;을 구비하여, 상기 제1캐패시터 배열의 용량값이 커지면 상기 제2캐패시터 배열의 용량값이 작아지고, 상기 제1캐패시터 배열의 용량값이 작아지면 상기 제2캐패시터 배열의 용량값이 커지도록 형성되고,상기 관성질량체의 위치 재평형을 위한 빗살형 피드백 구동수단을 더 구비하며, 상기 차동캐패시터 배열은 교류와 직류 전원이 직렬로 접속된 정전 구동 수단에 의해 구동되며, 상기 차동캐패시터 배열은 인가되는 가속도에 따른 상기 관성질량체의 기계적 변위를 용량변화로 감지하고 상기 용량변화를 전기적 신호로 바꾸는 변환회로를 더 구비한 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 용량변화 마이크로가속도계를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 용량변화 마이크로가속도계는 크게 세부분으로 구성된다. 첫 번째는 인가되는 가속도나 충격, 진동으로 인한 관성질량체의 변위를 발생시키는 변위발생부이고, 두 번째는 변위감지신호로부터 관성질량체의 위치를 영점으로 제어해주기 위한 피드백구동부이며, 세 번째가 관성질량체의 변위 발생을 전기 신호로 출력해주는 변위감지부 회로와 피드백구동부를 동작하기 위한 신호처리부이다.

도 3은 본 발명에 따른 용량변화 마이크로가속도계의 관성질량체의 변위발생부를 상세하게 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 용량변화 마이크로가속도계는 관성질량체(30), 스프링(34), 변위 감지용 차동캐패시터 배열(63), 스프링(34)과 관성질량체(30)를 기판(60)에 고정하기 위한 앵커(35)들로 구성된다. 차동캐패시터 배열(63)은 감도, 크기 등을 고려하여 적정하게 병렬전극(41a. 41b)에 접속되도록 배열되어 있는 고정전극들(42a, 42b)과 관성질량체(30)에 배열된 동전극들(33)을 두 전극으로 하는 캐패시터 배열이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 고정전극(42a, 42b)은 빗살과 같은 모양으로 두 병렬전극(41a, 41b)에 각각 연결되어 있으며, 이는 기판(60) 위에 증착된 구조이다. 동전극(33)은 가속도가 인가되었을 때, 움직이는 전극이며 그 양끝은 관성질량체(30)에 고정되어 있다. 이 때 동전극(33)은 차동캐패시터(63)의 한 전극으로서의 역할도 하지만, 관성질량체(30)의 일부분이기도 하다. 이 관성질량체(30)를 공중에 떠있게 기판(60)에 고정하며 가속도가 인가될때 관성질량체(30)가 기계적으로 진동하도록 하는 부분이 스프링(34)이다. 고정전극(42a, 42b)이 기판(60) 위에 증착되어 있고, 도 5에 도시된 바와 같이, 동전극(33) 또한 그 양끝이 관성질량체(30)를 이루는 구조물에 고정되어 있으므로 전극에 존재할 수 있는 기계적 응력과 전기적 인력에 의한 전극의 휘어짐은 일어날 수 없다. 또한 이러한 관성질량체(30)는 한 번의 희생층 공정만으로 기판(60)에서 떠 있도록 제작할 수 있어, 그 제작이 용이하다.

앞서 설명한 차동캐패시터 배열(63)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 고정전극(42a, 42b)과 동전극(33)이 나란히 배열되어 이루어지는 한 쌍의 캐패시터 즉 제1캐패시터 C1(61)과 제2캐패시터 C2(62)로 이루어진다. 차동캐패시터 C1(61)과 C2(62)는 가속도가 외부로부터 인가되지 않을 때는 동일한 값을 유지하다가, 외부로부터 가속도가 인가되면 동전극(33)이 움직여서 하나의 커패시터의 값은 증가하고, 다른 하나의 캐패시턴스 값은 감소하도록 제작된다. 이 때, 도 7에 도시된 바와 같이, 주파수와 진폭이 동일하지만 위상이 반대인 사인파와 부호가 반대인 직류 전압원(73, 74)이 차동커패시터 C1(61)과 C2(62)를 각각 구동한다. 도 7은 관성질량체의 변위발생부에서 변위를 감지하는 회로 구성을 보여주는 도면이다. 관성질량체의 동작 원리와 캐패시턴스 변화를 전기 신호로 변환하는 원리를 회로적으로 나타낸 것이다. 관성질량체의 변위발생부는 스프링(70), 댐퍼(71) 및 질량(72)으로 등가적으로 표현할 수 있다. 인가된 가속도에 대해 관성질량체(72)가 x방향으로 변위d가 발생하고 결과적으로 a점에서의 신호의 크기와 위상은 두 캐패시터들의 값의 차와 같고, 그 값은 인가 가속도의 크기와 직접적으로 연관이 있다. 즉, a점에서의 위상은 가속도가 인가되는 방향을 지시하고 신호의 크기는 가속도의 크기를 나타낸다. 여기서 두 캐패시턴스의 차를 전기적 신호로 바꾸어 주는 변환기로는 전하 증폭기(75)가 사용된다. 그리고 이 차동캐패시터 배열은 외부로부터의 영향, 즉 온도나 전기적 잡음 등을 차동증폭함으로써 효과적으로 제거할 수 있다. 여기서 차동증폭기를 거친 출력은 사인파이고 이 출력은 복조기(76)와 저역통과여파기(77)를 통하여 직류로 변환된다.

일반적으로 관성 질량의 변위에 의한 캐패시턴스 변화를 이용하여 가속도를 측정하는 가속도계(용량성 가속도계)에서, 가속도에 의해 관성질량체의 위치가 기준영점으로부터 벗어날 때, 인가 가속도에 의한 변위와 캐패시턴스 변화량 사이에는 비선형 특성이 커진다. 가속도계에서 이 비선형성은 바람직하지 못하다. 이러한 이유로 인해 관성 질량체를 위치제어 해주는 것이 필요하다. 따라서 구조적으로 관성질량이 기준영점을 크게 벗어나지 않으면 질량체의 변위와 커패시턴스 변화량이 선형적인 관계를 가지므로, 도 8에 도시된 바와 같은 빗살(comb) 구조를 갖도록 제작한다. 또한, 가속도계는 안정범위 내에서만 입력 가속도와 캐패시턴스 변화 간에 선형성을 가지므로 큰 가속도 입력시에도 선형성을 유지하도록 관성질량체에 대한 재평형 피드백 루프를 구성한다. 가속도계에 대한 폐루프 재평형 피드백 루프의 적용은 입출력의 선형성 뿐만 아니라 민감도와 안정성 및 대역폭의 개선효과를 가져온다. 도 8은 콤 구조의 피드백구동부를 나타낸 것이다. 이 콤 구조는 전극이 두 개 필요하며 관성질량체의 위를 재평형하도록 하여야 되기 때문에 동전극(82)들이 관성질량체(30)에 고정되고 나머지 고정전극(81)들은 기판에 앵커(80)로서 고정된다. 이 콤을 이루는 전극들의 개 수는 피드백구동부에 가해지는 피드백 전압의 크기를 결정하므로 되도록 많게 한다.

이와 같은 용량변화 마이크로가속도계는 반도체 표면미세가공법을 이용하여 제작되는 공진형 실리콘 가속도계이다. 일반 진자형 가속도계의 동작원리와 마찬가지로 공진형 가속도계는 질량, 댐퍼, 스프링으로 구성되는 2차 동적방정식으로 표현되는 기계적시스템이다. 본 공진형 가속도계는 도 8에 도시된 바와 같이 빗살(콤)형 전극 구조를 가진다. 이 공진형 가속도계의 빗살형 구조는 인가되는 전기신호에 의해 정전기력을 유도함에 따라서 기계적 공진을 가능하게 한다. 시스템의 스프링 상수는 공진운동시의 주파수와 관성질량으로 구할 수 있다. 그리고 2차 시스템의 동작특성을 결정짓는 댐핑계수는 구조물과 공기의 마찰로 결정된다. 관성질량은 입력되는 가속도에 대한 변위의 비례상수가 되므로 센서의 민감도와 직결된다. 따라서 관성질량은 공정상의 허용범위를 고려하여 되도록 크게 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 마이크로가속도계의 전극을 형성하는 구조물에 존재할수 있는 기계적응력과 전기적인력에 의한 전극의 휘어짐의 원인을 제거하기 위해 새로운 구조로 고정전극 전체가 기판위에 형성되도록 하고 동전극의 양끝을 질량체 역할을 하는 구조물에 연결하며 차동캐패시터를 여러 개 배열하여 감도를 크게함과 동시에 신호대 잡음비를 개선한다. 또한 한 번의 희생층 공정만으로 관성질량체 구조물과 기판을 분리할 수 있는 장점이 있다. 가속도계는 안정범위내에서만 입력가속도와 커패시턴스 변화간에 선형성을 가지므로 큰 가속도 입력시에도 선형성을 유지하도록 관성질량체 대한 재평형 피드백 루프를 구성한 점도 큰 잇점이 있다.

도 1은 종래의 용량 변화 마이크로 가속도계의 개략적 평면도,

도 2는 종래의 또 다른 용량변화 마이크로가속도계의 개략적 평면도,

도 3은 본 발명에 따른 용량변화 마이크로가속도계의 관성질량체의 변위발생부의 평면도,

도 4는 도 3의 변위발생부의 고정전극의 평면도,

도 5는 도 3의 변위발생부의 동전극의 평면도,

도 6은 도 3의 관성질량체의 변위발생부의 단면도,

도 7은 도 3의 관성질량체의 변위발생부에서 변위를 감지하는 회로 구성을 보여주는 도면,

그리고 도 8은 관성질량체의 재평형 피드백 구동부의 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 관성 질량체 2. 동전극

3a, 3b. 고정전극 4. 차동캐패시터 배열

20. 동전극 21a, 21b. 고정전극

23. 앵커 30. 관성 질량체

33. 동전극 34. 스프링

35. 앵커 41a, 41b. 병렬전극

42a, 42b. 고정전극 60. 기판

61. 제1캐패시터군 62. 제2캐패시터군

63. 차동캐패시터 배열 70. 스프링

72. 질량 73, 74. 직류전압원

71. 댐퍼 75. 전하 증폭기

76. 복조기 77. 저역통과여파기

80. 앵커 82. 동전극

Claims (5)

1. 기판;

   상기 기판의 표면상에 전체가 접촉된 상태로 빗살 모양으로 형성된 다수의 고정전극들;

   상기 고정전극들 위에 떠 있도록 상기 기판에 앵커에 의해 지지되어, 인가되는 가속도에 선형적으로 비례하는 변위를 일으키는 관성질량체; 및

   양끝이 상기 관성질량체에 연결되어 상기 관성질량체의 일부를 이루면서 상기 고정전극들과 나란한 방향으로 배열되어 상기 고정전극들과 차동캐패시터 배열을 형성하는 다수의 동전극들;을 구비한 것을 특징으로 하는 용량변화 마이크로가속도계.
2. 제1항에 있어서,

   상기 차동캐패시터 배열은,

   상기 고정전극들이 일측 가장자리 전극부터 홀수번째 전극들이 결합된 제1고정전극군과 짝수번째 전극들이 결합된 제2고정전극군으로 나뉘고, 상기 제1고정전극군의 고정전극들 및 상기 제1고정전극군의 고정전극들에 대응하는 동전극들로 이루어지는 제1캐패시터 배열; 및

   상기 제2고정전극군의 고정전극들 및 상기 제2고정전극군의 고정전극들에 대응하는 동전극들로 이루어지는 제2캐패시터 배열;을 구비하여,

   상기 제1캐패시터 배열의 용량값이 커지면 상기 제2캐패시터 배열의 용량값이 작아지고, 상기 제1캐패시터 배열의 용량값이 작아지면 상기 제2캐패시터 배열의 용량값이 커지도록 형성된 것을 특징으로 하는 용량변화 마이크로가속도계.
3. 제1항에 있어서,

   상기 관성질량체의 위치 재평형을 위한 빗살형 피드백 구동수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 용량변화 마이크로가속도계.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 차동캐패시터 배열은 교류와 직류 전원이 직렬로 접속된 정전 구동 수단에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 용량변화 마이크로가속도계.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 차동캐패시터 배열은 인가되는 가속도에 따른 상기 관성질량체의 기계적 변위를 용량변화로 감지하고 상기 용량변화를 전기적 신호로 바꾸는 변환회로를 더 구비한 것을 특징으로 하는 용량변화 마이크로가속도계.